CN113102458A - 一种采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，包括以下步骤：将尾矿砂过筛；将环氧树脂与蒸馏水混合均匀配成预混液；先后将尾矿砂和固化激发剂加入预混液中，搅拌均匀，形成砂浆；将砂浆分层倒入模具中；采用机械振捣的方式对每层砂浆均匀振实，形成试样；将试样放入烘箱养护后，脱模；脱模后，继续将试样置于烘箱养护条件下，养护形成尾矿砂固化体。与现有尾矿砂固化稳定化技术相比，本发明采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化效果优良，固化体长期稳定性好，增容小、固化速率高、能源消耗小，经济效益高。

Description

一种采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法

技术领域

本发明涉及环境岩土工程及尾矿砂处理技术领域，特别涉及一种采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法。

背景技术

随着矿山开采规模逐年增大，矿山开采产生的尾矿砂长期暴露于地表环境中，由于地表降水和地下水渗流的作用，导致尾矿砂中的金属矿物进入地下水土，使得环境污染问题愈发严重。仅2018年，我国尾矿砂生产总量为8.8亿吨，但由于尾矿砂利用方法单一或回收利用量不足，综合利用的尾矿砂为2.2 亿吨，只占27.1％。由此可见，对尾矿砂开展有效的固化处理及综合利用研究亟待推进。

固化稳定化技术是处置尾矿砂最常用的手段之一，该技术利用无机凝胶材料与尾矿砂之间的物化反应，以获得良好的物理性能，并增加尾矿砂的环境安全特性。近年来，大多学者采用普通硅酸盐水泥和地质聚合物固化处理尾矿砂，但相关研究表明：水泥和地聚物作为固化材料处理尾矿砂时存在增容高、长期稳定性差、固化速率慢等问题。因此，许多学者致力于研发处理效果优良、稳定性好且经济性合理的新型尾矿砂固化稳定化技术。总体而言，现有的尾矿砂固稳技术存在以下的弊端与问题：

(1)尾矿砂固化的长期稳定性问题：尾矿砂处理后多以堆体形式存放，在长期实际工程环境中，固化体强度较小，容易造成固化堆体失稳，对地下水土造成二次污染；使用地聚物固化尾矿砂时，应用范围小，固化效率低，固化效果较差；

(2)固化速率慢的问题：普通硅酸盐水泥作为固化剂时水化作用时间较长，强度增长缓慢，固化速率低下；

(3)固化体增容问题：经水泥和地聚物固化后的尾矿砂固化体体积增加巨大，增容程度较高，固化效果较差；

(4)能源消耗问题：普通硅酸盐水泥作为固化剂时，将消耗大量能源，并导致二氧化碳排放量增加。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，其目的是提供一种固化效果优良、长期稳定性好、增容小、固化速率高、能源消耗小的尾矿砂固化稳定化技术。

为了达到上述目的，本发明提供了一种采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，包括以下步骤：

S1：将尾矿砂过筛；

S2：将环氧树脂与蒸馏水混合均匀，配成预混液；

S3：先后将尾矿砂和固化激发剂加入预混液中，充分搅拌均匀，形成砂浆；

S4：将砂浆分层倒入模具中；

S5：将每层砂浆均匀振实，形成试样；

S6：将试样放入烘箱养护条件下进行养护后，脱模；

S7：脱模后，继续将试样置于烘箱养护条件下，养护形成尾矿砂固化体。

优选地，所述S1中，过筛的筛网孔径为1mm，过筛后称取一定质量的尾矿砂。

优选地，所述环氧树脂可为水溶性海因环氧树脂(1,3-二缩水甘油-5,5-二甲基海因，C₁₁H₁₆N₂O₄)。

优选地，所述S2中，采用机械搅拌方式进行混合，搅拌时间不低于30min。

优选地，所述环氧树脂与尾矿砂的质量比为0.1:1～0.3:1；所述固化激发剂与环氧树脂的质量比为0.03:1～0.12:1，所述蒸馏水与尾矿砂的质量比为 0.2:1～0.3:1。

优选地，所述固化激发剂可为3,3'-二氨基二丙胺(DPTA，C₆H₁₇N₃)。

优选地，所述S3中，采用机械搅拌的方法进行搅拌，搅拌时间不低于20 min。

优选地，所述S4中，至少分四层将砂浆倒入模具中，每层高度为25mm 以下；

所述模具为圆筒形，所述模具内部规格为Φ50mm×100mm。

优选地，所述S5中，采用机械振捣的方式进行振实，振动频率为20Hz-35 Hz；机械振捣过程中注意及时排除气泡，以保证试样的均匀性。

优选地，所述S6中，烘箱养护时间为24h以上；所述S7中，烘箱养护时间为5d以上。

优选地，所述烘箱养护温度为60℃～80℃。

本发明采用无毒、成本低、固化效果显著、具有较好的早期强度和长期稳定性等优良特点的环氧树脂和固化激发剂组成的凝胶体系，基于环氧基团与活性氧原子的亲核加成反应和环氧树脂提供的较高强度的三维聚合物网络结构来固化处理尾矿砂，对所使用的环氧树脂、固化激发剂和尾矿砂进行掺入比设计，以达到高效固化处理尾矿砂及稳定化其中化学物质的目的。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

(1)本发明采用的环氧树脂和固化激发剂组成的凝胶体系对尾矿砂具有良好的固化作用，对尾矿砂中的化学物质具有较好的稳定化效果；

(2)本发明的凝胶体系无毒，可以提供高强度三维聚合物网络结构，与尾矿砂形成的固化体具有较好的早期强度，长期作用下尾矿砂固化体堆体失稳可能性小；尾矿砂固化体长期稳定性、耐久性较好；

(3)本发明的凝胶体系特性优良，尾矿砂固化前后增容较小：

(4)本发明固化处理过程中能源消耗较小，无二氧化碳排放；

(5)可根据实际具体情况所需强度设计尾矿砂固化体中环氧树脂的掺入比，以达到对固化体进行资源化利用的效果；

(6)环氧树脂制作工艺简单，取材方便，价格低廉，经济效益高；

(7)本发明使用成本较低，过程简单易行，整体固化效果较优。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法的流程图；

图2为尾矿砂固化体制样流程图；

图3为水溶性海因环氧树脂与尾矿砂质量比与固化体试样无侧限抗压强度关系图。

【附图标记说明】

1-预混液；2-尾矿砂；3-固化激发剂；4-砂浆；5-电动搅拌器；6-圆筒形模具；7-烘箱；8-尾矿砂固化体。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化技术，解决或改善了现有尾矿砂固稳技术中增容高、长期稳定性差、固化速率慢、固化效果差、消耗能源大等问题。通过采用成本低廉、固化稳定能力强且可以提供高强度三维聚合物网络结构的环氧树脂和固化激发剂组成的凝胶体系来固化尾矿砂，对所使用的尾矿砂、环氧树脂、固化激发剂的质量进行掺入比设计，脱模后将试样置于烘箱养护至少5天形成尾矿砂固化体，以达到高效固化稳定尾矿砂及其中化学物质的目的。

参照图1～2，本发明实施例1具体流程包括如下步骤：

首先，将足量尾矿砂过1mm标准试样筛，称取400g；取水溶性海因环氧树脂与尾矿砂的质量比m_{海因环氧树脂}/m_尾矿砂为10％，称取40g水溶性海因环氧树脂；取蒸馏水与尾矿砂的质量比m_蒸馏水/m_尾矿砂为28.6％，称取114.4g蒸馏水；将水溶性海因环氧树脂与蒸馏水均匀混合，配制成预混液1，搅拌时间为40min；取固化激发剂3与水溶性海因环氧树脂的质量比m_DPTA/m_{海因环氧树脂}为5％，称取2 g固化激发剂3；先后将尾矿砂2和固化激发剂3加入预混液1中，采用电动搅拌器5对混合土样充分均匀搅拌，搅拌过程中注意防止液体、土体溅出，搅拌时间为30min，形成砂浆4；将砂浆4分四层均匀倒入内部规格为Φ50 mm×100mm圆筒形模具6中，采用机械振捣方式将每层砂浆均匀振实，以排除试样中气泡，每层25mm，振动频率为26Hz；将试样置于烘箱7中于60℃养护条件下养护24h后脱模，然后继续将试样置于60℃烘箱养护至7d后形成尾矿砂固化体8。经测试，其无侧限抗压强度达到6.33MPa。

实施例2

参照图1～2，本发明实施例2具体流程包括如下步骤：

首先，将足量尾矿砂过1mm标准试样筛，称取400g；取水溶性海因环氧树脂与尾矿砂的质量比m_{海因环氧树脂}/m_尾矿砂为20％，称取80g水溶性海因环氧树脂；取蒸馏水与尾矿砂的质量比m_蒸馏水/m_尾矿砂为28.6％，称取114.4g蒸馏水；将水溶性海因环氧树脂与蒸馏水均匀混合，配制成预混液1，搅拌时间为60min；取固化激发剂3与水溶性海因环氧树脂的质量比m_DPTA/m_{海因环氧树脂}为5％，称取4 g固化激发剂3；先后将尾矿砂2和固化激发剂3加入预混液1中，采用电动搅拌器5对混合土样充分均匀搅拌，搅拌过程中注意防止液体、土体溅出，搅拌时间为45min，形成砂浆4；将砂浆4分四层均匀倒入内部规格为Φ50 mm×100mm圆筒形模具中，采用机械振捣方式将每层砂浆均匀振实，以排除试样中气泡，每层25mm，振动频率为26Hz；将试样置于烘箱7中于60℃养护条件下养护24h后脱模，然后继续将试样置于烘箱7于60℃下养护至7d 后形成尾矿砂固化体8。经测试，其无侧限抗压强度达到9.52MPa。

实施例3

参照图1～2，本发明实施例3具体流程包括如下步骤：

首先，将足量尾矿砂过1mm标准试样筛，称取400g；取水溶性海因环氧树脂与尾矿砂的质量比m_{海因环氧树脂}/m_尾矿砂为30％，称取120g水溶性海因环氧树脂；取蒸馏水与尾矿砂的质量比m_蒸馏水/m_尾矿砂为28.6％，称取114.4g蒸馏水；将水溶性海因环氧树脂与蒸馏水均匀混合，配制成预混液1，搅拌时间为80min；取固化激发剂3与水溶性海因环氧树脂的质量比m_DPTA/m_{海因环氧树脂}为5％，称取6 g固化激发剂3；先后将尾矿砂2和固化激发剂3加入预混液1中，采用电动搅拌器5对混合土样充分均匀搅拌，搅拌过程中注意防止液体、土体溅出，搅拌时间为60min，形成砂浆；将砂浆分四层均匀倒入内部规格为Φ50mm×100 mm圆筒形模具中，采用机械振捣方式将每层砂浆均匀振实，以排除试样中气泡，每层25mm，振动频率为26Hz；将试样置于烘箱7中于60℃养护条件下养护24h后脱模，然后继续将试样置于60℃烘箱养护至7d后形成尾矿砂固化体8。经测试，其无侧限抗压强度达到20.84MPa。

图3为水溶性海因环氧树脂与尾矿砂质量比与固化体试样无侧限抗压强度关系图，发现水溶性海因环氧树脂的掺入量越大，固化体的抗压强度越大。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将尾矿砂过筛；

S2：将环氧树脂与蒸馏水混合均匀，配成预混液；

S3：先后将尾矿砂和固化激发剂加入预混液中，充分搅拌均匀，形成砂浆；

S4：将砂浆分层倒入模具中；

S5：将每层砂浆均匀振实，形成试样；

S6：将试样放入烘箱养护条件下进行养护后，脱模；

S7：脱模后，继续将试样置于烘箱养护条件下，养护形成尾矿砂固化体。

2.根据权利要求1所述的采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，所述S1中，过筛的筛网孔径为1mm，过筛后称取一定质量的尾矿砂。

3.根据权利要求1所述的采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，所述S2中，采用机械搅拌方式进行混合，搅拌时间不低于30min。

4.根据权利要求1所述的采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，所述环氧树脂可为水溶性海因环氧树脂；所述固化激发剂可为3,3'-二氨基二丙胺。

5.根据权利要求1所述的采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，所述环氧树脂与尾矿砂的质量比为0.1:1～0.3:1；所述固化激发剂与环氧树脂的质量比为0.03:1～0.12:1，所述蒸馏水与尾矿砂的质量比为0.2:1～0.3:1。

6.根据权利要求1所述的采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，所述S3中，采用机械搅拌的方法进行搅拌，搅拌时间不低于20min。

7.根据权利要求1所述的采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，所述S4中，至少分四层将砂浆倒入模具中，每层高度为25mm以下；

所述模具为圆筒形，所述模具内部规格为Φ50mm×100mm。

8.根据权利要求1所述的采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，所述S5中，采用机械振捣的方式进行振实，振动频率为20Hz-35 Hz。

9.根据权利要求1所述的采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，所述S6中，烘箱养护时间为24h以上；所述S7中，烘箱养护时间为5d以上。

10.根据权利要求1所述的采用环氧树脂固化尾矿砂及其中化学物质稳定化方法，所述烘箱养护温度为60℃～80℃。

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